సింగిల్-ఫోటాన్ ఫోటోడిటెక్టర్ 80% సామర్థ్య అవరోధాన్ని అధిగమించింది

సింగిల్-ఫోటాన్ ఫోటోడిటెక్టర్80% సామర్థ్యపు అవరోధాన్ని అధిగమించారు

సింగిల్-ఫోటాన్ఫోటోడిటెక్టర్వాటి కాంపాక్ట్ మరియు తక్కువ ధర ప్రయోజనాల కారణంగా క్వాంటం ఫోటోనిక్స్ మరియు సింగిల్-ఫోటాన్ ఇమేజింగ్ రంగాలలో ఇవి విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి, కానీ అవి ఈ క్రింది సాంకేతిక అవరోధాలను ఎదుర్కొంటున్నాయి.

ప్రస్తుత సాంకేతిక పరిమితులు

1. CMOS మరియు థిన్-జంక్షన్ SPAD: వీటికి అధిక ఇంటిగ్రేషన్ మరియు తక్కువ టైమింగ్ జిట్టర్ ఉన్నప్పటికీ, శోషణ పొర పలుచగా (కొన్ని మైక్రోమీటర్లు) ఉంటుంది, మరియు PDE సమీప-పరారుణ ప్రాంతంలో పరిమితంగా ఉంటుంది, 850 nm వద్ద ఇది సుమారు 32% మాత్రమే ఉంటుంది.

2. థిక్-జంక్షన్ SPAD: ఇది పదుల మైక్రోమీటర్ల మందం గల శోషణ పొరను కలిగి ఉంటుంది. వాణిజ్య ఉత్పత్తులు 780 nm వద్ద సుమారుగా 70% PDEని కలిగి ఉంటాయి, కానీ 80% దాటడం అత్యంత సవాలుతో కూడుకున్నది.

3. రీడ్ అవుట్ సర్క్యూట్ పరిమితులు: అధిక అవలాంచ్ సంభావ్యతను నిర్ధారించడానికి థిక్-జంక్షన్ SPADకు 30V కంటే ఎక్కువ ఓవర్‌బయాస్ వోల్టేజ్ అవసరం. సాంప్రదాయ సర్క్యూట్‌లలో 68V క్వెంచింగ్ వోల్టేజ్‌తో కూడా, PDEని 75.1%కి మాత్రమే పెంచవచ్చు.

పరిష్కారం

SPAD యొక్క సెమీకండక్టర్ నిర్మాణాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయండి. బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్ డిజైన్: సిలికాన్‌లో పతనమయ్యే ఫోటాన్‌లు ఘాతాంక పద్ధతిలో క్షీణిస్తాయి. బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్ నిర్మాణం వల్ల, అధిక శాతం ఫోటాన్‌లు శోషణ పొరలో శోషించబడతాయి మరియు ఉత్పత్తి అయిన ఎలక్ట్రాన్‌లు అవలాంచ్ ప్రాంతంలోకి ప్రవేశపెట్టబడతాయి. సిలికాన్‌లో హోల్స్ కంటే ఎలక్ట్రాన్‌ల అయనీకరణ రేటు ఎక్కువగా ఉన్నందున, ఎలక్ట్రాన్ ఇంజెక్షన్ అధిక అవలాంచ్ సంభావ్యతను అందిస్తుంది. డోపింగ్ కాంపెన్సేషన్ అవలాంచ్ ప్రాంతం: బోరాన్ మరియు ఫాస్ఫరస్ యొక్క నిరంతర వ్యాపన ప్రక్రియను ఉపయోగించడం ద్వారా, తక్కువ క్రిస్టల్ లోపాలు ఉన్న లోతైన ప్రాంతంలో విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని కేంద్రీకరించడానికి షాలో డోపింగ్‌ను భర్తీ చేస్తారు, తద్వారా DCR వంటి నాయిస్‌ను సమర్థవంతంగా తగ్గిస్తారు.

2. అధిక-పనితీరు గల రీడౌట్ సర్క్యూట్. 50V అధిక ఆంప్లిట్యూడ్ క్వెంచింగ్; వేగవంతమైన స్టేట్ ట్రాన్సిషన్; మల్టీమోడల్ ఆపరేషన్: FPGA నియంత్రిత క్వెంచింగ్ మరియు రీసెట్ సిగ్నల్‌లను కలపడం ద్వారా, ఫ్రీ ఆపరేషన్ (సిగ్నల్ ట్రిగ్గర్), గేటింగ్ (బాహ్య గేట్ డ్రైవ్), మరియు హైబ్రిడ్ మోడ్‌ల మధ్య ఫ్లెక్సిబుల్ స్విచ్చింగ్ సాధించబడుతుంది.

3. పరికరం తయారీ మరియు ప్యాకేజింగ్. బటర్‌ఫ్లై ప్యాకేజీతో SPAD వేఫర్ ప్రక్రియను అనుసరిస్తారు. SPADను AlN క్యారియర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బంధించి, థర్మోఎలక్ట్రిక్ కూలర్ (TEC)పై నిలువుగా అమర్చుతారు, మరియు థర్మిస్టర్ ద్వారా ఉష్ణోగ్రత నియంత్రణ సాధించబడుతుంది. సమర్థవంతమైన కప్లింగ్‌ను సాధించడానికి మల్టీమోడ్ ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లను SPAD కేంద్రంతో కచ్చితంగా సమలేఖనం చేస్తారు.

4. పనితీరు క్రమాంకనం. 785 nm పికోసెకండ్ పల్స్డ్ లేజర్ డయోడ్ (100 kHz) మరియు టైమ్-డిజిటల్ కన్వర్టర్ (TDC, 10 ps రిజల్యూషన్) ఉపయోగించి క్రమాంకనం నిర్వహించబడింది.

సారాంశం

SPAD నిర్మాణాన్ని (మందపాటి జంక్షన్, బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్, డోపింగ్ కాంపెన్సేషన్) ఆప్టిమైజ్ చేయడం మరియు 50 V క్వెంచింగ్ సర్క్యూట్‌ను ఆవిష్కరించడం ద్వారా, ఈ అధ్యయనం సిలికాన్-ఆధారిత సింగిల్-ఫోటాన్ డిటెక్టర్ యొక్క PDEని 84.4% అనే కొత్త శిఖరానికి విజయవంతంగా చేర్చింది. వాణిజ్య ఉత్పత్తులతో పోలిస్తే, దీని సమగ్ర పనితీరు గణనీయంగా మెరుగుపడింది. ఇది అత్యంత అధిక సామర్థ్యం మరియు సౌకర్యవంతమైన ఆపరేషన్ అవసరమయ్యే క్వాంటం కమ్యూనికేషన్, క్వాంటం కంప్యూటింగ్ మరియు అధిక-సున్నితత్వ ఇమేజింగ్ వంటి అనువర్తనాలకు ఆచరణాత్మక పరిష్కారాలను అందిస్తుంది. ఈ కృషి సిలికాన్-ఆధారిత పరికరాల తదుపరి అభివృద్ధికి ఒక పటిష్టమైన పునాది వేసింది.సింగిల్-ఫోటాన్ డిటెక్టర్సాంకేతికత.